1.本发明属于建筑工程和海岸工程专用材料技术领域，涉及一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法。
背景技术：2.蓬勃发展的建筑业是我国经济的支柱产业之一，混凝土作为工程建筑领域最重要的材料，在各类工程中被广泛地使用着。传统混凝土的原材料主要是天然粗骨料、天然河砂和淡水，然而近年来大量开展的建设工程导致了天然河砂的可用数量告急，并且随着农村城镇化和旧城改造的推进，在新建、改建、扩建和拆除各类建筑物时将会产生大量建筑固废。据统计，2020年全国建筑固废已超28亿吨，其中废混凝土约占40％。现阶段，这些建筑固废的处理方式大多是露天堆放或填埋，对环境造成了巨大的污染。但是，将废弃混凝土经过破碎、加工后可以得到再生骨料，可以再次用于建筑，这是建筑业循环经济和低碳发展关键技术之一。
3.淡水河砂的短缺使人们把目光投向储量丰富的海水、海砂，而且海砂分布集中的特点适合人们进行有步骤分阶段开采，同时海运费用低廉，可以降低建造成本。可以预见，随着我国国民经济的高速发展，海砂作为一种重要的资源将发挥重要的作用。但是研究表明原状海水海砂是不适用于传统的钢筋混凝土的，海水海砂中的盐分会腐蚀钢筋，降低钢筋的强度，使钢筋锈蚀膨胀，进而导致混凝土剥落崩解，从而导致结构的提前破坏；另一方面，淡化海砂目前成本过高，清洗效果不容易控制，世界各地出现了“海砂屋”等安全问题。因此需要一种能够抵抗盐分的材料代替钢筋，而frp筋就是一种很好的选择。frp筋由于其优良的力学性能以及抵抗氯离子的能力，是代替钢筋运用在海岸工程中的首选。但是随着frp筋在实际工程中的使用时间的推移，人们发现frp筋在混凝土内部的碱性环境中退化明显，这是阻碍frp筋的大规模使用以及海水海砂混凝土的推广的关键问题。
技术实现要素：4.本发明的目的就是提供一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，包括：将粗骨料、水泥、海砂、海水混合，并浇注包裹于frp筋外，做成预制构件或现场浇筑快速碳化后形成保护层，并得到海水海砂混凝土。
7.进一步地，所述的粗骨料为高孔隙率粗骨料，包括再生粗骨料和珊瑚粗骨料，粒径分布为4.75-31.5mm。
8.进一步地，所述的高孔隙率粗骨料的粒径应尽量连续，4.75方孔筛筛余量应控制在90～100％，9.5mm方孔筛筛余量70～90％，26.5mm方孔筛筛余量50～70％，19mm 方孔筛筛余量15～45％，31.5mm方孔筛筛余量0～5％。
9.进一步地，当所述的粗骨料选用再生粗骨料时，表观密度为2250-2450kg/m3；当所
述的粗骨料选用珊瑚粗骨料时，孔隙率为45％～55％。
10.进一步地，所述的水泥为普通硅酸盐水泥。
11.进一步地，所述的海砂为粒径分布在1.18-4.75mm的原状海砂，海水为原状海水，所述的海水的化学成分中，cacl2的质量分数不低于0.1％，mgcl2的质量分数不低于0.45％。
12.进一步地，所述的frp筋包括bfrp筋或gfrp筋。
13.进一步地，所述的粗骨料、水泥、海砂、海水之间的质量比为 (1000-1200):(280-320):(600-800):(180-220)。
14.进一步地，现场浇筑结构可以通过自然环境下的碳化，在1～2年的时间内碳化深度可以看保护层厚度(海水海砂混凝土板保护层厚度为15mm，海水海砂混凝土梁为20mm)。
15.进一步地，做成预制构件时，快速碳化中，二氧化碳浓度为15-25％，相对湿度为55-85％，碳化温度为15-45℃。
16.进一步地，所述的碳化养护中，养护天数根据碳化厚度决定，其中所述的碳化厚度为frp筋的最大埋深。
17.进一步地，所述的碳化养护中，二氧化碳浓度为20％，相对湿度为70％，碳化温度为30℃。
18.碳化是引起钢筋混凝土结构的退化的主要原因之一，碳化降低了混凝土内部的ph值，从而导致钢筋脱钝，进一步加剧了钢筋的锈蚀；但是对于frp筋，通过碳化而降低了混凝土内部的ph值，这恰好有利于提升frp筋的耐久性能，而再生粗骨料和珊瑚粗骨料的多孔特性可以提高二氧化碳在混凝土中的扩散速度和深度，而海水海砂的组分也提高了碳化的程度，使得现浇混凝土构件即使在自然条件下，也可以在较短的时间内完成碳化目标从而进一步保护frp。
19.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
20.1)高孔隙率、大孔径的细微观结构：本发明提供的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，混凝土粗骨料选用再生粗骨料或者珊瑚粗骨料，孔隙率相比天然骨料大幅度提高，提高二氧化碳扩散速度；孔隙率更高、孔隙更大的细微观结构也有利于防止因生成碳化产物而导致的孔隙闭合，有助于持续增加碳化深度。
21.2)碳化程度的提升：本发明提供的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，以海砂为细骨料、海水为拌合水，利用海水、海砂中氯盐含量较高的特点，氢氧化钙的溶解，增加反应物，并提升混凝土碱度；同时选用高孔隙率的再生粗骨料，有利于促进碳化养护过程中二氧化碳的扩散，配合溶解的大量氢氧化钙，促进碳化反应的正向进行，进而提高混凝土在自然环境下的碳化速度与碳化程度，提高实际应用的可行性；
22.3)frp筋混凝土结构耐久性的提升：本发明提供的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，利用碳化降低了混凝土的碱性，反而提高了frp筋的耐久性；同时提高了混凝土的致密程度，从而全面提升了结构的耐久性；
附图说明
23.图1为本发明中一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法的制备方法的流程示意图；
24.图2为gfrp筋增强海水海砂再生混凝土构件的结构示意图；
25.图3为一种埋设有多层frp筋的海水海砂高孔隙率混凝土的碳化深度示意图；
26.图中标记说明：
27.1-gfrp筋、2-保护层。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
29.一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，如图1所示包括以下步骤：
30.1)取原状海砂，并筛分得到粒径分布在1.18-4.75mm的海砂；其中所选取的原状海砂包括海岸带、近岸浅海和大陆架的中粗海砂，该粒径较为适合用作混凝土细骨料；并且优选的，原状海砂选用海岸带上的海砂，方便提取，节约成本；
31.海砂中贝壳质量分数应不超过7％；同时应当过4.75mm筛，以去除海砂中的粒径过大贝壳；
32.2)取原状海水作为拌和水；其化学成分中，cacl2的质量分数不低于0.1％， mgcl2的质量分数不低于0.45％；
33.3)取废弃混凝土或者珊瑚礁，经过破碎处理后，筛分得到粒径分布在 4.75-31.5mm的高孔隙率粗骨料，并且优选的，该高孔隙率粗骨料的粒径应尽量连续，4.75方孔筛筛余量应控制在90～100％，9.5mm方孔筛筛余量70～90％，26.5mm 方孔筛筛余量50～70％，19mm方孔筛筛余量15～45％，31.5mm方孔筛筛余量0～5％；其中废弃混凝土优选为花岗岩、石英岩、石灰岩骨料配制加工而成的母体混凝土，由上述来源的再生粗骨料制成的再生混凝土，膨胀率低，不存在碱骨料反应的潜在风险；可取代的方案包括：对于由活性较高的火山岩制成的母体混凝土，应当添加粉煤灰等外加剂用于减少碱骨料反应；其中珊瑚礁选用普通的珊瑚礁即可；
34.当粗骨料为再生粗骨料时，表观密度为2250-2450kg/m3；当粗骨料为珊瑚粗骨料时，孔隙率为45％～55％；
35.3)依照以下组分及重量份含量，将粗骨料、水泥、海砂、海水拌和搅拌，制成海水海砂再生骨料混凝土，并浇注包裹于frp筋外；
[0036][0037]
其中，水泥采用普通硅酸盐水泥；frp筋可以选用bfrp筋或gfrp筋，在海水中耐久性能好，且价格低廉，性价比较高；标准养护的养护天数不低于28天；
[0038]
4)做成预制构件或现场浇筑快速碳化后形成保护层，并得到海水海砂混凝土；
[0039]
其中，采用现场浇筑时，快速碳化为自然碳化，即在自然环境中碳化1-2年，无需特殊的养护条件；
[0040]
其中，做成预制构件时，快速碳化条件包括：二氧化碳浓度为15-25％，相对湿度为55-85％，碳化温度为15-45℃，养护天数根据碳化厚度决定，并满足表1 所示的关系，其中所述的碳化厚度为frp筋的最大埋深；即对于埋设有单层frp 筋的frp海水海砂再生混凝
土，碳化厚度为保护层厚度与frp筋直径之和；对于多层frp筋的混凝土，碳化厚度则以埋深最大处的frp筋为基准进行计算，如图 3所示。
[0041]
表1
[0042][0043]
优选的，碳化养护条件以目标深度处的混凝土取样测试得到ph值降至10以下为宜。
[0044]
进一步优选的，碳化养护中，二氧化碳浓度为20％，相对湿度为70％，碳化温度为30℃。
[0045]
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0046]
实施例1：
[0047]
一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0048]
s1：依照以下重量份进行配料：再生粗骨料1000份，海水220份，海砂800 份，普通硅酸盐水泥320份；
[0049]
其中，海砂：选取杭州湾北部海岸带原状海砂，并过5mm方孔筛，筛下料再过1.18mm方孔筛，筛余料即为海砂；
[0050]
海水：选用杭州湾北部海岸带原状海水，并作为拌和水，其化学成分如表2 所示；
[0051]
表2海水化学成分
[0052]
成分质量分数(％)nacl2.39mgcl20.51na2so40.40cacl20.11kcl0.068nahco30.020kbr9.9
×
10-3
h3bo32.6
×
10-3
srcl22.4
×
10-4
naf3
×
10-4
[0053]
再生粗骨料：原材料为来自上海市的母体为花岗岩的废弃混凝土，破碎后，筛取4.75mm～31.5mm的即为再生粗骨料，本实施例所使用的再生粗骨料表观密度为 2300kg/m3；
[0054]
frp筋选用浙江新纳复合材料有限公司生产的喷砂玻璃纤维筋，抗拉强度为 1100mpa；
[0055]
s2：向搅拌机中依次加入再生粗骨料、海螺牌opc42.5普通硅酸盐水泥、海砂，干拌均匀，再将海水徐徐加入，海水的全部加料时间不超过2min；将海水全部加入后，再继续拌和2min，从搅拌机中卸料后，再人工拌和1-2min；
[0056]
s3：浇注如图2所示的gfrp筋增强海水海砂再生混凝土构件，该混凝土构件包括圆柱形混凝土保护层2以及嵌设于圆柱形混凝土保护层2内的gfrp筋1，浇注时间为25min，再在标准养护条件下养护28d；
[0057]
图中，d：gfrp筋1表面到混凝土表面的距离，即保护层厚度，本实施例中取20mm；d：gfrp筋增强海水海砂再生混凝土构件高度，要求d≥10d，本实施例中取200mm；
[0058]
s4：浇注尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm的立方体试块，再在标准养护条件下养护28d；
[0059]
s5：将步骤s3与步骤s4所得的养护后的构件放在碳化箱中进行碳化养护，即得到碳化养护的gfrp筋增强海水海砂再生混凝土构件，以及碳化养护的立方体试件；其中碳化条件为：二氧化碳浓度为20％，相对湿度70％，温度30℃，碳化 21d。
[0060]
碳化养护后，对混凝土立方体立即测定：
[0061]
1、按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t 50081-2019)，测试其抗压强度；
[0062]
2、按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(gb/t 50082-2009)，切割试块后测定碳化深度；
[0063]
3、切割构件后在保护层厚度(本例中为25mm)处取混凝土粉末使用固液萃取法，测定其ph。
[0064]
碳化养护后，将gfrp筋增强海水海砂再生混凝土构件在60℃的海水中浸泡一个月后，破碎取gfrp筋1，按照《金属材料拉伸试验》(gb/t 228.1-2010)测定其抗拉强度。
[0065]
多次试验后取平均值，结果如表3所示。
[0066]
实施例2：
[0067]
本实施例与实施例1相比，不同之处仅在于：筛取4.75mm～31.5mm的天然粗骨料替代再生粗骨料。其余部分，包括混凝土的制备、养护、测试方法均同实施例 1。测试结果如表3所示。
[0068]
实施例3：
[0069]
本实施例与实施例1相比，不同之处仅在于：选取破碎后筛取4.75mm～31.5mm 的珊瑚粗骨料作为粗骨料，珊瑚礁是北海涠洲岛的普通碎石型珊瑚礁，孔隙率在 49％左右；其余部分，包括混凝土的制备、养护、测试方法均同实施例1。测试结果如表3所示。
[0070]
实施例4：
[0071]
本实施例与实施例1相比，不同之处仅在于：筛取4.75mm～31.5mm的自然粗骨料，
淡水替代海水，河沙替代海砂；碳化条件为自然环境下碳化1年。其余部分，包括混凝土的制备、测试方法均同实施例1。在自然碳化结束后，测试结果如表3 所示。
[0072]
实施例5：
[0073]
本实施例与实施例4相比，不同之处仅在于：筛取4.75mm～31.5mm的再生粗骨料，拌和水选用海水，细骨料选用海砂；其余部分，包括混凝土的制备、测试方法均同实施例1。在自然碳化结束后，测试结果如表3所示。
[0074]
表3
[0075][0076]
从试验结果来看，混凝土立方体抗压强度满足要求，但是不同实施例之间，碳化深度以及高温海水中浸泡后的退化程度具有明显差异。
[0077]
对于实施例1，碳化深度已经超过保护层厚度，并且在高温水中浸泡后，构件中的gfrp筋的抗拉强度退化很小，因此，海水海砂再生混凝土的立方体抗压强度满足要求，碳化速度快，对混凝土内部的gfrp筋具有保护作用。
[0078]
对于实施例2，碳化深度未能达到保护层厚度，在高温海水中浸泡后，构件中的gfrp筋的抗拉强度退化较大，因此，海水海砂天然粗骨料混凝土的立方体抗压强度满足要求，碳化速度慢，对混凝土内部的gfrp筋不具有保护作用。
[0079]
对于实施例3，碳化深度已经超过保护层厚度，在高温海水中浸泡后，构件中的gfrp筋的抗拉强度退化较小，因此，海水海砂再生混凝土的立方体抗压强度满足要求，碳化速度快，对混凝土内部的gfrp筋具有保护作用。
[0080]
对于实施例4，碳化深度也未能达到保护层厚度，且在高温海水中浸泡后，构件中的gfrp筋的抗拉强度退化较大，因此，自然条件下，采用传统材料碳化速度非常缓慢，无法碳化至frp筋深度，无法对混凝土内部的gfrp筋起到保护作用。
[0081]
对于实施例5，碳化深度可以达到保护层厚度，且在高温海水中浸泡后，构件中的gfrp筋的抗拉强度退化较小，因此，使用高孔隙率粗骨料和海水海砂组分时，即使在自然环境中，同样可以达到较高的碳化程度，碳化速度较快，对混凝土内部的gfrp筋具有保护作用。
[0082]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括：将粗骨料、水泥、海砂、海水混合，并浇注包裹于frp筋外，做成预制构件或现场浇筑快速碳化后形成保护层，并得到海水海砂混凝土；所述的粗骨料包括再生粗骨料或珊瑚粗骨料。2.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述的粗骨料粒径为4.75-31.5mm。3.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，当所述的粗骨料为再生粗骨料时，表观密度为2250-2450kg/m3；当所述的粗骨料为珊瑚粗骨料时，孔隙率为45％～55％。4.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述的水泥为普通硅酸盐水泥。5.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述的海砂为粒径分布在1.18-4.75mm的原状海砂，海水为原状海水，所述的海水的化学成分中，cacl2的质量分数不低于0.1％，mgcl2的质量分数不低于0.45％。6.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述的frp筋包括bfrp筋或gfrp筋。7.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述的粗骨料、水泥、海砂、海水之间的质量比为(1000-1200):(280-320):(600-800):(180-220)。8.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，采用现场浇筑时，快速碳化为自然碳化。9.根据权利要求1所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，表1表1做成预制构件时，快速碳化过程中，养护天数根据目标碳化厚度决定，并满足表1所示的关系；其中所述的碳化厚度为frp筋的最大埋深。10.根据权利要求9所述的一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，
快速碳化过程中，二氧化碳浓度为20％，相对湿度为70％，碳化温度为30℃。
技术总结本发明涉及一种快速碳化的海水海砂混凝土的制备方法，包括：将高孔隙率粗骨料、水泥、海砂、海水混合，并浇注包裹于FRP筋外，根据使用情况做成预制构件或现场浇筑，通过快速碳化，形成保护层，从而提高FRP筋-海水海砂再生混凝土性能及耐久性。与现有技术相比，本发明以海砂为细骨料，选用再生粗骨料或者珊瑚粗骨料为粗骨料，选用原状海水为拌合水，利用高孔隙率、大孔径粗骨料提高混凝土碳化速度和碳化深度，利用海水海砂中的氯盐提高氢氧化钙的溶解度，从而提升混凝土碱度，提高混凝土的碳化程度，进而有利于提高混凝土的性能以及FRP筋的耐久性。的耐久性。的耐久性。
技术研发人员：肖建庄 胡晓龙 张凯建 沈剑羽 王佃超
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.06.08
技术公布日：2022/11/1
